素養(yǎng)導(dǎo)向下的高中物理學(xué)科深度學(xué)習(xí)教學(xué)實踐

◎ 劉宗民

一、引言

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》（以下簡稱《2017版課標(biāo)》）提出的物理學(xué)科核心素養(yǎng)反映了國家對學(xué)生學(xué)習(xí)結(jié)果的期望，承載了落實立德樹人的根本任務(wù)。物理學(xué)科的核心素養(yǎng)是學(xué)生在接受物理教育的過程中形成的適應(yīng)個人終身發(fā)展和社會發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力，是學(xué)生通過物理學(xué)習(xí)內(nèi)化的帶有物理學(xué)科特性的品質(zhì)，是學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的關(guān)鍵成分。落實核心素養(yǎng)，要求教師的教學(xué)理念、教學(xué)設(shè)計、教學(xué)行為進行適切的轉(zhuǎn)變，不能僅僅停留在“三維目標(biāo)”，而是更多地從發(fā)展學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的課程目標(biāo)出發(fā)，站在學(xué)生學(xué)習(xí)和成長的角度重新定位教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)過程和教學(xué)評價。［1］

深度學(xué)習(xí)是落實核心素養(yǎng)的一種重要途徑。深度學(xué)習(xí)是在教師的引領(lǐng)下，學(xué)生圍繞具有挑戰(zhàn)性的學(xué)習(xí)主題，全身心積極參與、體驗成功、獲得發(fā)展的有意義的學(xué)習(xí)過程。在這個過程中，學(xué)生掌握學(xué)科的核心知識，理解學(xué)習(xí)過程，把握學(xué)科的本質(zhì)及思想方法，形成積極的內(nèi)在學(xué)習(xí)動機、高級的社會性情感、積極的態(tài)度、正確的價值觀，成為既具有獨立性、批判性、創(chuàng)造性又有合作精神，基礎(chǔ)扎實的優(yōu)秀的學(xué)習(xí)者，成為未來社會歷史實踐的主人。深度學(xué)習(xí)是教學(xué)活動而不是一般學(xué)習(xí)者的自學(xué)活動，它強調(diào)教師對作為主體的學(xué)生學(xué)習(xí)活動的引導(dǎo)與幫助。［1］有意義的學(xué)習(xí)與通常所說的死記硬背、機械學(xué)習(xí)不同，是具有實在意義的，學(xué)習(xí)者具有與新知識進行關(guān)聯(lián)的先行知識并能夠積極主動地將新舊知識進行關(guān)聯(lián)。［2］

教不等于學(xué)，所有有深度的物理教學(xué)必須建立在促進學(xué)生有深度的學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上。筆者以探究“牛頓第二定律”為例，介紹科學(xué)認知物理的教與學(xué)的過程，明確教學(xué)過程的核心要素和關(guān)鍵環(huán)節(jié)及其基本定位，并在教學(xué)設(shè)計的基本方法和策略上進行設(shè)計，首先要考慮以下兩點：①什么樣的學(xué)習(xí)內(nèi)容更有價值？（側(cè)重掌握實驗的操作技能還是側(cè)重設(shè)計實驗方案的思維過程？）②什么樣的學(xué)習(xí)目標(biāo)更有意義？（側(cè)重物理概念與實驗技能的掌握還是側(cè)重為解決物理問題形成一種科學(xué)的研究方法及嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度？）

滬教版高中物理必修一教材中“牛頓第二定律”第一課時的課堂教學(xué)通常借助位移傳感器進行實驗探究，在知識與技能上要求通過實驗提高學(xué)生的操作技能，培養(yǎng)學(xué)生觀察分析與歸納總結(jié)的能力。《2017版課標(biāo)》則更加關(guān)注學(xué)生的核心素養(yǎng)提升，在教學(xué)目標(biāo)上要從物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任上進行落實。以探究“牛頓第二定律”的教學(xué)設(shè)計實驗為例，學(xué)生通過學(xué)習(xí)能逐步形成運動與相互作用的物理觀念。為更好地落實科學(xué)思維、科學(xué)探究的教學(xué)目標(biāo)，筆者對教學(xué)設(shè)計、教學(xué)策略提出了新的想法，引導(dǎo)學(xué)生完成深度學(xué)習(xí)。

中學(xué)物理課程是以觀察和實驗為基礎(chǔ)，以物理現(xiàn)象、物理概念和規(guī)律、物理過程和方法為載體，以科學(xué)探究為主線，以提高全體學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)為基本目標(biāo)的基礎(chǔ)性自然科學(xué)課程。筆者在探究“牛頓第二定律”的教學(xué)過程中，緊緊圍繞活動目標(biāo)，牢牢遵循“問題→猜想→設(shè)計→實驗→結(jié)論→應(yīng)用”的思路，逐步培養(yǎng)學(xué)生運用物理知識解決實際問題的能力。筆者在落實學(xué)生實驗技能的前提下，更加關(guān)注學(xué)生經(jīng)歷猜想與假設(shè)、設(shè)計實驗方案、實驗驗證、歸納結(jié)論的全過程，也關(guān)注探究過程中學(xué)生表達的完整性。

二、教學(xué)過程

（一）把握核心素養(yǎng)，確立教學(xué)目標(biāo)

物理學(xué)科核心素養(yǎng)是物理課程育人價值的集中體現(xiàn)，是學(xué)生通過物理課的學(xué)習(xí)而逐步形成的重要觀念、必備品格和關(guān)鍵能力。物理學(xué)科核心素養(yǎng)主要由“物理觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”四個方面構(gòu)成。其中，“物理觀念”是概念和規(guī)律等在頭腦中的提煉和升華；“科學(xué)思維”素養(yǎng)中的模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新四個要素需要有深度思考的過程；“科學(xué)探究”需創(chuàng)設(shè)科學(xué)探究的真實情境，在探究中提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)；“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”包括學(xué)習(xí)興趣、求真精神和團隊作風(fēng)等。基于問題、基于探究、基于挑戰(zhàn)、基于項目等具有創(chuàng)造性和實踐性的深度學(xué)習(xí)能較好地落實物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

深度學(xué)習(xí)強調(diào)教師主導(dǎo)下的學(xué)生主動參與、積極建構(gòu)，強調(diào)學(xué)生的教育性發(fā)展。 深度學(xué)習(xí)主要聚焦認知能力、人際能力、個人能力這三個領(lǐng)域。在認知能力方面，為促進學(xué)科核心知識的掌握、批判性思維的養(yǎng)成，教學(xué)設(shè)計中側(cè)重實驗方案的設(shè)計，使學(xué)生在完成有難度、有挑戰(zhàn)的學(xué)習(xí)任務(wù)的過程中，因經(jīng)驗與實際不符的觀念沖突引發(fā)思考，形成批判性思維。自主活動的開展促使學(xué)生感受到自己是活動的主體，并能夠獨立操作這些內(nèi)容，發(fā)生積極主動的學(xué)習(xí)活動，從而認識到運動與相互作用間的物理觀念，初步掌握利用控制變量法來研究物理問題的方法，體會研究物理問題時運用到控制變量法的思維方式。在人際能力方面，通過小組討論、合作學(xué)習(xí)的方式，來培養(yǎng)學(xué)生有效溝通和團隊協(xié)作的能力。在個人能力方面，通過參與教學(xué)決策、優(yōu)化實驗設(shè)計方案，促進學(xué)生形成科學(xué)思維模式，學(xué)會學(xué)習(xí)。

（二）聚焦深度學(xué)習(xí)，設(shè)計教學(xué)流程

圖1 教學(xué)流程

在探究“牛頓第二定律”的教學(xué)過程中，筆者設(shè)計了如圖1所示的教學(xué)流程：在情境引入環(huán)節(jié)中，設(shè)計大小和形狀相同、質(zhì)量不等的空心和實心鋼球在相同檔位風(fēng)扇的作用下加速運動；在課堂引入環(huán)節(jié)中創(chuàng)設(shè)真實情境、展示實物并進行演示，使學(xué)生直觀地認識到物體速度變化快慢和物體質(zhì)量相關(guān)；通過追問方式引發(fā)學(xué)生認識到生活現(xiàn)象背后的物理規(guī)律，促使他們對真實情境進行思維加工，從而形成加速度與質(zhì)量、力相關(guān)的物理觀念；演示實驗可優(yōu)化教學(xué)方式，激發(fā)學(xué)生的興趣，也強化了物理知識和實踐情境的關(guān)聯(lián)。

圖1中，學(xué)生活動1為實驗方案設(shè)計環(huán)節(jié)，要求學(xué)生能根據(jù)教師的引導(dǎo)及儲備的基礎(chǔ)知識設(shè)計出能準(zhǔn)確測量加速度和力的實驗方案。學(xué)生活動2為實驗探究環(huán)節(jié)，要求學(xué)生能利用兩種不同的測量加速度的手段進行探究實驗。學(xué)生活動3為實驗分析階段，要求學(xué)生能根據(jù)圖像獲得結(jié)論并能評價不同方案的優(yōu)劣。

在教學(xué)設(shè)計環(huán)節(jié)中，筆者更加側(cè)重實驗方案的設(shè)計，需要學(xué)生結(jié)合以往所學(xué)知識并在生活中得以實踐的經(jīng)驗，設(shè)計出不同的探究方案，比如小車的加速度如何測量、小車所受合力如何測量等。這種設(shè)計不僅僅要求學(xué)生具備較高的知識遷移能力，也要求學(xué)生必須在教師的引導(dǎo)下完成深度學(xué)習(xí)。深度學(xué)習(xí)迫切需要教師對教學(xué)設(shè)計進行相應(yīng)調(diào)整。

（三）尊重學(xué)生主體，落實深度學(xué)習(xí)

1.經(jīng)驗與知識的相互轉(zhuǎn)化

學(xué)生來到課堂絕不是一張白紙，是帶著已有經(jīng)驗來的。這些經(jīng)驗，有的是日常生活經(jīng)驗，有的是以往所學(xué)知識的內(nèi)化并在生活中得以實踐的經(jīng)驗。例如，在學(xué)習(xí)牛頓第二定律之前，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)如何使用位移傳感器測量物體的速度、加速度以及使用光電門傳感器測量物體的速度。如教學(xué)案例1所示，在教師引導(dǎo)及同組同學(xué)的討論下，學(xué)生需把已有經(jīng)驗進行遷移從而設(shè)計出測量加速度的不同方案。

教學(xué)案例1

教師：根據(jù)已學(xué)知識，在學(xué)生活動卡上寫出你們小組的實驗設(shè)計方案：如何方便且較為精確地測量小車的加速度？

學(xué)生1：利用分體式位移傳感器進行測量。小車在傾斜的導(dǎo)軌上做的應(yīng)該是勻加速直線運動，利用傳感器畫出小車做運動過程中的v-t圖像，在v-t圖像上選擇一段較為平滑的直線，從而得出小車的加速度。

學(xué)生2：利用頻閃相機。讓小車在有刻度尺的傾斜軌道上運動，利用頻閃相機對勻加速直線運動的小車進行拍照，利用Δs=at2即可算出加速度。

學(xué)生3：利用光電門傳感器。小車在傾斜軌道上靜止釋放，利用光電門傳感器測出小車運動位移為s時的速度v，然后利用v2=2as計算出加速度a。

學(xué)生4：利用兩個光電門傳感器進行測量。小車在傾斜軌道上運行時，利用光電門測量出小車在不同位置處的速度v1、v2，然后利用計算出小車的加速度a。

學(xué)生根據(jù)當(dāng)前的活動去聯(lián)想、調(diào)動、激活以往的經(jīng)驗，以融會貫通的方式對如何測量加速度進行組織，從而建構(gòu)出自己的知識結(jié)構(gòu)。個體經(jīng)驗與人類知識在深度學(xué)習(xí)中不是對立的，而是相互成就、相互轉(zhuǎn)化的。由于有了經(jīng)驗的參與，知識的學(xué)習(xí)就有了生長的根基，能夠?qū)⒅R轉(zhuǎn)化為與學(xué)生個體有關(guān)聯(lián)的、能夠操作和思考的內(nèi)容。

2.學(xué)生主體活動與內(nèi)心體驗相伴

本文提到的“活動”是指以學(xué)生為主體的主動活動；“體驗”是指學(xué)生在活動中生發(fā)的內(nèi)心體驗。活動與體驗相伴相生。若是主動活動，必會引起內(nèi)心體驗。學(xué)生學(xué)習(xí)牛頓第二定律不僅要知道物體加速度與物體受到的力成正比，與其質(zhì)量成反比，更要體驗如何通過探究的方式得出牛頓第二定律，理解牛頓第二定律中文字描述的真正要義。

當(dāng)然，學(xué)生的主體活動并不是自發(fā)的，而是依賴教師的引導(dǎo)以及教師對教學(xué)內(nèi)容及學(xué)生學(xué)習(xí)過程與方式的精心設(shè)計的。例如，在學(xué)生活動環(huán)節(jié)“如何測量加速度”中，教師要強調(diào)如何利用學(xué)過的知識方便且較為精確地測量出加速度，“方便且較為精確”這幾個字在于引導(dǎo)學(xué)生能夠想到用位移傳感器或光電門傳感器，而不是用秒表等工具進行粗略的測量。

學(xué)生的主體學(xué)習(xí)活動，伴隨與老師、同學(xué)的交流、溝通、合作等。例如，在設(shè)計實驗方案環(huán)節(jié)中，學(xué)生若選擇用光電門來測量小車的加速度，就會出現(xiàn)諸如“選擇一個光電門還是兩個光電門”“選擇一個光電門時對小車釋放的位置以及初速度有何要求”等問題。這些問題不僅引發(fā)學(xué)生個人的思考，也會促使其與其他同學(xué)進行交流，優(yōu)化設(shè)計方案，進行精確測量。教師在探究活動中引導(dǎo)同一組學(xué)生進行明確分工：一名學(xué)生負責(zé)計算機界面的數(shù)據(jù)輸入；一名學(xué)生負責(zé)小車運動的初始位置定位；還有一名學(xué)生負責(zé)增減小鉤碼或小車上的載重片。課堂討論中的相互啟發(fā)、小組作業(yè)中的相互依賴與信任、小組間的競爭等也典型地再現(xiàn)了知識發(fā)現(xiàn)過程中人與人的相互依賴、信任、競爭、合作關(guān)系。

教師在教學(xué)活動中，可以融入現(xiàn)代教育技術(shù)手段，比如利用多媒體技術(shù)，及時呈現(xiàn)學(xué)生的實驗設(shè)計方案，并對實驗結(jié)果進行時時分享與評價，這有利于提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性、積極性。除此之外，教師更要巧妙地引入問題或者資源，搭設(shè)支架，促使學(xué)生有更多的時間進行思維進階發(fā)展，進而促進學(xué)生批判性思維的發(fā)展。如圖2所示，學(xué)生設(shè)計利用兩個光電門傳感器測量加速度的方案中，需要對v1、v2、s進行多次測量，且要對數(shù)據(jù)進行處理才能得到加速度，繁雜的數(shù)據(jù)處理會耗費學(xué)生大量時間，即使教師為學(xué)生編制好處理數(shù)據(jù)的軟件，數(shù)據(jù)的輸入也會花費大量時間，這樣與我們教學(xué)設(shè)計中側(cè)重實驗方案設(shè)計的意圖不符。基于這樣的現(xiàn)實，在實驗時可通過相關(guān)軟件直接讀取小車經(jīng)過光電門1和2處速度的大小v1和v2，小車從光電門1運動到光電門2需要的時間t，利用a=Δv/t即可算出加速度。軟件界面如圖3所示，小車運動的加速度通過光電門傳感器及計算機可以直接獲得，避免了數(shù)據(jù)記錄及繁瑣的數(shù)據(jù)處理過程，為課堂設(shè)計實驗方案預(yù)留了時間。教師在課堂上為學(xué)生同時提供分體式位移傳感器和光電門傳感器等測量手段，使得學(xué)生可以根據(jù)自己設(shè)計的方案選取相應(yīng)的器材，學(xué)生活動變得更加自主，更加凸顯課堂上學(xué)生的主體地位。這樣的教學(xué)設(shè)計也為學(xué)生后續(xù)能夠比較并評價不同方案的優(yōu)劣提供了可能。

圖2 利用光電門傳感器測加速度示意圖

圖3 用兩個光電門傳感器探究牛頓第二定律的輸入界面

3.富有挑戰(zhàn)性的學(xué)習(xí)任務(wù)促進高階思維的形成

好的學(xué)習(xí)任務(wù)可以將學(xué)生帶入學(xué)習(xí)情境，激發(fā)學(xué)生強烈的學(xué)習(xí)動機，使學(xué)生能夠積極主動地提出問題、分析問題、解釋問題。學(xué)生學(xué)習(xí)必須要經(jīng)歷探索未知、解決問題的過程，學(xué)生要與真實的任務(wù)情境持續(xù)互動，這樣有意義的深度學(xué)習(xí)才可能發(fā)生。

在探究“牛頓第二定律”的教學(xué)過程中，一般教師對“鉤碼重力大小是否等于細繩拉力大小”這個問題往往是避而不談的，而更傾向于在講授完“牛頓第二定律”后，利用牛頓第二定律的知識反過來解釋小鉤碼重力大小不等于細繩拉力的大小。學(xué)生具備牛頓第二定律知識后，此問題就變得過于簡單，無法促使學(xué)生進行高階思維的訓(xùn)練。鑒于此，筆者另辟思路，如教學(xué)案例2所示，通過無線力傳感器的演示，帶給學(xué)生已有經(jīng)驗與實際不符的觀念沖突：小鉤碼重力大小不等于細繩拉力的大小，結(jié)果完全顛覆學(xué)生的認知，激發(fā)他們強烈的學(xué)習(xí)動機，使他們能積極主動提出問題：在什么樣的狀態(tài)下，小車受到拉力大小與小鉤碼重力大小相等；分析問題：教師通過無線力傳感器演示小車?yán)εc小鉤碼重力大小不等的原因是小車處于加速狀態(tài)；交流推理：小車加速度越來越小，無限趨近等于零，小車的運動變?yōu)閯蛩僦本€運動，此時小車受到拉力等于小鉤碼的重力大小；解決問題：小車通過細線掛小鉤碼的個數(shù)越少，小車的加速度就會越小，小車受到的拉力用小鉤碼重力大小來代替就越精確。這樣的高階思維過程，學(xué)生也能深刻理解實驗過程為什么選擇質(zhì)量較小的小鉤碼，而沒有選擇一個質(zhì)量相對較大的大鉤碼。在這樣的學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生與學(xué)習(xí)任務(wù)深度互動，真思考、真去做、真遇到困難、真解決問題、真鍛煉意志品質(zhì)，真正實現(xiàn)學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，而避免出現(xiàn)學(xué)生只有實踐的形式，沒有實踐的深刻體驗的問題。

教學(xué)案例2

教師：如何測量小車運動時所受合力的大小？

學(xué)生：用細線一端系著小鉤碼重力的大小代替小車所受合力的大小。

教師：小車所受摩擦力不考慮嗎？

學(xué)生：小車有輪子，在軌道上運動受到的滾動摩擦力比較小，在一定情況下可以忽略。所以小車所受合力的大小近似等于繩子拉力的大小。

教師：小鉤碼重力的大小等于繩子拉力的大小嗎？

學(xué)生：等于呀！

教師：老師在課前做了一個這樣的實驗，把無線力傳感器固定在小車上，細線的兩端分別和小鉤碼、無線力傳感器連接，那么無線力傳感器可以測量細線每個時刻力的大小，如圖4所示，0—0.7s內(nèi)小車處于靜止?fàn)顟B(tài)，小鉤碼也處于靜止?fàn)顟B(tài)，此時繩子上力的大小等于小鉤碼的重力大小。0.7s后釋放小車，小車做加速直線運動，從圖中明顯看到繩子上的力變小了，即繩子上力的大小要小于小鉤碼的重力大小。請解釋原因。

學(xué)生：小車做加速直線運動時，小鉤碼也在做加速直線運動，故此時小鉤碼做的運動不是勻速直線運動，所以小鉤碼受到的重力大小和繩子對其拉力大小就不再相等。

教師：能否根據(jù)剛才討論的內(nèi)容來解釋做實驗時提供給我們的是質(zhì)量很小的小鉤碼，而不是質(zhì)量較大的鉤碼？

學(xué)生：細線一端掛鉤碼的質(zhì)量越大，小車的加速度也越大，反之小車的加速度就越小，小車加速度越小，意味著鉤碼的加速度也越小，當(dāng)鉤碼的加速度趨近等于零時，鉤碼的重力大小和繩子拉力大小就相等了。提供質(zhì)量較小的小鉤碼能保證小車運動有較小的加速度，從而可以用鉤碼的重力大小來代替繩子的拉力大小。

圖4 細線每個時刻力的大小變化

三、總結(jié)與反思

以核心素養(yǎng)為導(dǎo)向的教學(xué)，從關(guān)注“學(xué)科知識獲取”到關(guān)注“核心素養(yǎng)提升”，從單一考試到持續(xù)性評價，對教師素養(yǎng)提出了更多、更高的要求。這些要求多是教師在大學(xué)沒有學(xué)過的知識、技能或理念，需要教師去主動研究、主動實踐以提升自身洞察問題、研究問題、解決問題的能力和勇氣。

筆者通過對探究“牛頓第二定律”教學(xué)設(shè)計的不斷實踐和反思，逐漸理清物理學(xué)科中這一類探究實驗的一般教學(xué)過程：①發(fā)現(xiàn)和提出有探究價值的物理問題；②依據(jù)探究目的設(shè)計、優(yōu)化實驗方案，完成實驗操作；③對實驗現(xiàn)象和記錄的實驗數(shù)據(jù)進行加工并得到結(jié)論；④與他人交流實驗探究的成果，提出進一步探究或改進實驗的設(shè)想。要想讓學(xué)生的實驗探究素養(yǎng)得到發(fā)展，教師首先要了解、理解其內(nèi)涵，并具備實驗探究的基本素養(yǎng)。這就需要集體學(xué)習(xí)，與教研組同事進行探討交流。

為了更好地落實物理學(xué)科核心素養(yǎng)，教師必須能夠清楚把握物理學(xué)科對于學(xué)生發(fā)展的獨特價值和貢獻，以明確物理教學(xué)的終極目標(biāo)，也必須準(zhǔn)確認知物理學(xué)科的體系結(jié)構(gòu)、物理觀念、科學(xué)思想、科學(xué)探究方法及科學(xué)態(tài)度和責(zé)任，以選擇和確定教學(xué)內(nèi)容載體；必須熟練掌握有利于學(xué)生核心素養(yǎng)培養(yǎng)的獨特途徑和方法，以確立適宜的教學(xué)過程與方法。總之，指向物理學(xué)科核心素養(yǎng)培育的教學(xué)改革對教師的挑戰(zhàn)是全方位的，檢驗著教師對學(xué)生的理解及對學(xué)科知識、教學(xué)知識的掌握和運用能力。